Регистрация / Вход
Прислать материал

Программный комплекс "FlashFlow" для решения прикладных задач газовой динамики

Сведения об участнике
ФИО
Богдевич Юлия Рустамовна
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Информационные технологии и вычислительные системы
Раздел области наук
Информационные технологии
Тема
Программный комплекс "FlashFlow" для решения прикладных задач газовой динамики
Резюме
Разработан отечественный программный комплекс для проведения численных исследований по определению характеристик течений продуктов сгорания в газодинамических трактах высокоэнергетических установок, с учетом основных физико-химических процессов протекающих в камерах сгорания, сопловых блоках и истекающих струях, и определения энерго-тяговых и эксплуатационных характеристик перспективных двигательных установок. Разработанный программный комплекс позволит уменьшить время и улучшить качество проектирования энергоустановок.
Ключевые слова
Высокоэнергетическая установка, камера сгорания, сопловой блок, сверхзвуковая струя, энерго-тяговые характеристики, газовая динамика, численное исследование, программный комплекс
Цели и задачи
Разработка методик, алгоритмов и программ расчета основных процессов, протекающих в газодинамических трактах ракетных двигателей, создание программного комплекса и проведение вычислительных экспериментов и определение газодинамических, энерго-тяговых и эксплуатационных характеристик перспективных двигательных установок.
Введение

В настоящее время несмотря на накопленный значительный опыт по проектированию и разработке ДУ, создание новых высокоэффективных, перспективных установок на химическом топливе требует проведения большого объема дополнительных исследований. Для достижения оптимальных характеристик РД, их проектирование должно проводится при тесном сочетании физического и математического моделирований. В связи с этим актуальной задачей является разработка специализированного программного комплекса, который бы позволял прорабатывать варианты компоновки высокоэнергетических устройств, в том числе с использованием новых высокоэнергетических материалов, с учетом основных физико-химических процессов протекающих в газодинамических трактах.

Методы и материалы

Методом решения поставленных задач является математическое моделирование. Математическое моделирование рассматриваемых газодинамических процессов реализуется в традиционной последовательности, а именно: формулировка математической модели, разработка метода решения, создание программы для ЭВМ, проведение параметрических исследований. Методика расчета основана на решении уравнений газовой динамики в двумерной постановке методами Годунова и Годунова-Колгана с использованием алгоритмов, адаптированных к произвольному количеству границ в ячейках. Расчет двухфазных течений основан на использовании Лагранжева подхода для описания частиц с учетом коагуляции и дробления [5]. Учёт горения частиц и образования оксидного колпака проводится с использованием модели Бекстеда.

Программный комплекс реализован на языке высокого уровня С# с использованием программной платформы NET Framework 4.5, для реализации графического интерфейса использовалась технология WPF (Windows Presentation Foundation), для разметки страниц использовался язык XAML. Некоторые вычислительные библиотеки были написаны на C++.

Верификация работы программного комплекса проведена путем сравнения с известными решениями и экспериментальными данными.

Описание и обсуждение результатов

На рисунках 1-9 представлены иллюстрации основных возможностей разработанного программного комплекса. Помимо расчетов для простых геометрических областей, данный программный комплекс позволяет проводить расчеты для сложных конфигураций с характерными геометрическими особенностями исследуемых объектов, определять составляющие потерь удельного импульса на рассеяние, на двухфазность, на выпадение частиц конденсированной фазы, на трение, на прогрев наполнителя, на разгар соплового блока, на наличие органов управления. 

На рисунке 1 показана возможность построение блочной структуры расчетной области на примере геометрии радиусно-параболического сопла с внешней расчетной областью.

Рис. 1 – Пример построения геометрии радиусно-параболического сопла с внешней расчетной областью.

На рисунке 2 продемонстрирована работа модуля построения расчетных сеток на примере сгенерированной структурированной ортогональной расчетной сетки радиусно-конического сопла.

Рис. 2 – Пример построения сглаженной структурированной расчетной ортогональной сетки для радиусно-конического сопла

На рисунке 3 продемонстрирована работа модуля построения расчетных сеток на примере сгенерированной неструктурированной ортогональной расчетной сетки радиусно-параболического сопла.

Рис. 3 – Пример построения неструктурированной расчетной сетки для радиусно-параболического сопла

На рисунке 4 продемонстрирована возможность стыковки нескольких областей с различными расчетными сетками.

Рис. 4 – Пример стыковки областей структурированных расчетных сеток

На рисунке 5 показан результат расчета течения продуктов сгорания в радиусо-коническом сопле.

Рис. 5 – Распределение чисел Маха в радиусо-коническом сопле

На рисунке 6 показан результат расчета течения продуктов сгорания в кольцевом сопле.

Рис. 6 – Распределение чисел Маха в кольцевом сопле.

На рисунке 7 показан результат расчета течения продуктов сгорания в радиусо-коническом сопле и сверхзвуковой струе при истечении в затопленное пространство.

Рис. 7 – Распределение чисел Маха вдоль тракта радиусо-конического сопла и сверхзвуковой струе

при истечении в затопленное пространство

На рисунке 8 показан результат расчета течения продуктов сгорания в камере сгорания, кольцевом сопле и сверхзвуковой струе при истечении в затопленное пространство, с учетом горения заряда твердого топлива.

Рис. 8 – Распределение чисел Маха вдоль тракта кольцевого сопла, камеры сгорания и сверхзвуковой струе
при истечении в затопленное пространство

На рисунке 9 показан результат расчета взаимодействия близкой к расчетной сверхзвуковой струи с непроницаемой преградой.

Рис. 9 ‑ Распределение чисел Маха при взаимодействии близкой к расчетной сверхзвуковой струи с непроницаемой преградой

Используемые источники
1. Костюшин К. В., Богдевич Ю. Р., Еремин И. В., Кагенов А. М. Разработка и реализация архитектуры программного комплекса «FLASHFLOW» предназначенного для численного решения двумерных задач газовой динамики // Материалы XI Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях. - М: Изд-во МАИ. Москва, 2016. С. 464-467.
2. Крайко А. Н. Вариационные задачи газовой динамики. – М.: Наука, 1979. – 447 с.
3. Годунов С. К., Забродин А. В., Иванов М. Я., Крайко А. Н., Прокопов Г. П. Численное решение многомерных задач газовой динамики.- М.: Наука, 1976. – 400 с.
4. Колган В. П. Конечно-разностная схема для расчета двухмерных разрывных решений нестационарной газовой динамики //Ученые записки ЦАГИ. – 1975. – Т. 6. – №. 1.
5. Стернин Л. Е. Основы газодинамики двухфазных течений в соплах //М.: Машиностроение. – 1974. – Т. 212. – С. 2.
Information about the project
Surname Name
Bogdevich Yuliya Rustamovna
Project title
The software complex "FlashFlow" for solving applied tasks in gas dynamics
Summary of the project
The domestic program complex for carrying out numerical researches on determination of characteristics of currents сombustion products in gas dynamics paths of the high-energy installations, taking into account the basic physical and chemical processes proceeding in combustion chambers, nozzle blocks and the expiring streams, and determinations of power-traction and operational characteristics of perspective propulsion systems is developed. The developed software system will allow to reduce the time and to improve the quality of the design of energy installations.
Keywords
High-energy installation, combustion chamber, nozzle block, hyperacoustic stream, power-thirst characteristics, gas dynamics, numerical research, program complex